TUVA: Simulatore Dinamico di Turbina a Vapore

Author(s):
L. Grassi - ASPER
A. Villani - SIRIO SISTEMI ELETTRONICI

Industry:
Oil and Gas/ Refining/ Chemicals, Energy/Power

Products:
FPGA Module, Real-Time Module

The Challenge:
Realizzare un simulatore dinamico di turbina a vapore, affidabile e modulare, per il collaudo e la messa a punto dei quadri di controllo delle turbine con la capacità di estendere il collaudo alla risposta dinamica.

The Solution:
Per simulare la turbina a vapore si è implementato su una piattaforma real-time un modello matematico della turbina nel suo normale comportamento dinamico e sono stati gestiti alcuni canali di I/O per la comunicazione con il quadro di controllo. Per garantire il determinismo nel tempo di risposta del simulatore dinamico è stata adottata un'architettura che prevede l’utilizzo di un algoritmo di simulazione eseguito a bordo di un controller programmabile con un sistema operativo real-time. L’architettura prevede inoltre un pannello di supervisione eseguito su un computer equipaggiato con un sistema operativo Windows 2K o XP e connesso al simulatore tramite TCP/IP.

Il simulatore dinamico di turbina a vapore (TUVA) è un sistema di collaudo e messa a punto per i quadri di controllo delle turbine con la capacità di estendere il collaudo alla risposta dinamica. Il simulatore implementa su una piattaforma real-time un modello matematico della turbina nel suo normale comportamento dinamico e gestisce alcune canali di I/O per la comunicazione con il quadro di controllo.
Il simulatore dinamico interviene nella fase di collaudo realizzata presso la sede del costruttore del quadro, quando si intende cioè verificare la funzionalità delle procedure di controllo, nelle più realistiche condizioni, senza tuttavia disporre della turbina vera e propria.
Per garantire il determinismo nel tempo di risposta, l'algoritmo di simulazione è eseguito a bordo di un controller programmabile con un sistema operativo real-time ed il pannello di supervisione è eseguito su un computer equipaggiato con un sistema operativo Windows 2K o XP e connesso al simulatore tramite TCP/IP.

Il simulatore dinamico di turbina a vapore è un sistema di collaudo e messa a punto per i quadri di controllo delle turbine con la capacità di estendere il collaudo alla risposta dinamica. Il simulatore implementa su una piattaforma real-time un modello matematico della turbina nel suo normale comportamento dinamico e gestisce alcuni canali di I/O per la comunicazione con il quadro di controllo.
Il simulatore dinamico interviene nella fase di collaudo realizzata presso la sede del costruttore del quadro, quando si intende cioè verificare la funzionalità delle procedure di controllo, nelle più realistiche condizioni, senza tuttavia disporre della turbina vera e propria. Il simulatore dinamico è inoltre in grado di parzialmente anticipare, presso la sede del costruttore del quadro, la successiva fase di messa a punto fine normalmente realizzata on site, presso la sede dell'impianto, in presenza dei macchinari per i quali il sistema di controllo è progettato.
Il collaudo dei quadri di controllo per turbogruppi
Il funzionamento di un turbina a vapore richiede un sofisticato e affidabile quadro di controllo. Questo tipo di apparati assicura il normale esercizio del macchinario ed interviene qualora si verifichino anomalie o imprevisti che mettono a repentaglio la sicurezza del macchinario stesso o dell'impianto in cui il macchinario si trova installato.
La produzione dei quadri di controllo può essere schematizzata in tre successive fasi: assemblaggio dei componenti meccanici, elettrici ed elettronici; sviluppo e installazione delle procedure software di controllo; collaudo e messa a punto.
Si comprende come apparecchiature progettate per il controllo di turbine abbiano bisogno di un collaudo accurato e di una scrupolosa messa a punto. La finalità della fase della collaudo e messa a punto comprende:
1. la verifica del corretto funzionamento del software di regolazione della turbina;
2. la regolazione di massima (macro-tuning) del sistema di controllo;
3. la regolazione fine (micro-tuning) da effettuarsi on site, presso la sede dell'impianto, in presenza dei macchinari per i quali il sistema di controllo è progettato.
I test di collaudo che competono al "macro-tuning" sono generalmente effettuati, per ragioni di budget, utilizzando simulatori statici di segnali elettrici (in tensione o corrente); questi dispositivi, pilotati da un operatore, descrivono in modo quasi statico successive configurazioni di equilibrio per il macchinario.
La necessità di test di collaudo sempre più accurati e nelle più realistiche condizioni, senza tuttavia disporre della turbina vera e propria, ha portato allo sviluppo e utilizzo di simulatori dinamici della turbina a vapore.
Il simulatore dinamico è essenzialmente una procedura software che implementa un modello matematico della turbina e gestisce alcune schede di I/O per la comunicazione con il quadro di controllo.
Questo tipo di soluzione permette di estendere il collaudo alla risposta dinamica del quadro di controllo. Il simulatore dinamico interviene nella fase di "macro-tuning" ed è in grado di parzialmente anticipare quella successiva di "micro-tuning", con sensibile riduzione dei costi di collaudo e messa a punto.
Descrizione generale
L'architettura del simulatore dinamico prevede due procedure software: l'algoritmo di simulazione progettato per essere eseguito su un controller equipaggiato con un sistema operativo real-time ed un pannello di supervisione progettato per essere eseguito su un qualunque computer equipaggiato con un sistema operativo Windows 2K Pro o XP. La piattaforma real-time è utilizzata per garantire il determinismo nel tempo di risposta del simulatore dinamico.
La comunicazione tra il pannello di supervisione, HMI ed il simulatore dinamico avviene su socket TCP/IP mediante protocollo proprietario.
La procedura di simulazione esegue l'algoritmo del modello matematico della turbina, si interfaccia all'I/O per la lettura dei necessari segnali di input e per la scrittura dei segnali di output e dialoga con l'HMI.
I canali delle schede di I/O del simulatore sostituiscono alcune delle sonde presenti sulla turbina, atte a rilevare i valori istantanei di certune grandezze, e leggono alcuni dei parametri impostati dal quadro di controllo.
La procedura di supervisione dialoga con la procedura di simulazione e mette a disposizione dell'operatore i parametri di controllo e di messa a punto dell'algoritmo del modello matematico della turbina e ne visualizza gli stati durante il funzionamento.
Il modello della turbina
La turbina è simulata attraverso la soluzione alle differenze finite dell'equazione di moto per un cilindroide rigido vincolato. Dove tale approccio è inadeguato o troppo complesso sono adottate delle approssimazioni fenomenologiche. La soluzione diretta consente alla simulazione di offrire una risposta dinamica, in relazione agli stimoli del sistema di controllo.
Come carico è prevista la possibilità di pilotare un alternatore o un compressore.
Al fine di rendere la simulazione "realistica" sono state introdotte delle "sonde virtuali". Ad esempio: la velocità di rotazione dell'asse è inviata all'esterno come un'onda quadra, di frequenza proporzionale alla velocità angolare effettiva: questo accorgimento tiene conto della modalità di lettura della grandezza ingegneristica, fatta attraverso un sensore di prossimità, che "conta" i denti di una ruota fonica. Un analogo discorso vale per i flussimetri, che presentano un valore differenziale di pressione opportunamente legato alla portata. La pressione è invece simulata in modo empirico, attraverso una mappa che lega la pressione alla portata.
L'architettura hardware e software
Per la piattaforma real-time si è scelto la soluzione modulare CompactRIO di National Instruments. CompactRIO integra un processore embedded, con sistema operativo real-time, con un chipset FPGA. L'architettura hardware del sistema prevede che la comunicazione tra processore embedded e canali di I/O passa attraverso l'FPGA; a bordo dell'FPGA una procedura programmabile provvede alla gestione degli I/O e al condizionamento dei segnali acquisiti.
La procedura software di simulazione è stata sviluppata con un architettura multithread al fine di separare gli eventi critici, quali l'elaborazione del modello e la gestione degli I/O, dagli eventi a bassa priorità come le comunicazione via ethernet da e verso il supervisore. Il task che esegue l'algoritmo della simulazione e si interfaccia agli I/O è configurato per avere la priorità nell'accesso alle risorse di sistema al fine di garantire il determinismo nell'esecuzione. Il task che gestisce il dialogo con l'HMI via TCP/IP, procedura tipicamente non deterministica, è configurato per usare le risorse di sistema lasciate disponibili dal task ad alta priorità. I due task si scambiano dati via opportune code FIFO.
Le scelte fatte permettano di garantire determinismo di esecuzione e ottenere tempi di ciclo di regolazione inferiori a 2 msec.

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L. Grassi
ASPER
lorenzo.grassi@asper-fi.it

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